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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung von Flüssigkeiten
gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Dosierung
von Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Bei
der Herstellung von flüssigen Formulierungen, zum Beispiel
von Lacken, Klebstoffen, Cremes, Lebensmitteln usw., müssen
Flüssigkeiten mit stark unterschiedlichen Fließeigenschaften
mit möglichst hoher Genauigkeit dosiert werden. Die Flüssigkeiten
können beispielsweise niedrig- oder hochviskos sein, sich
newtonsch oder nicht-newtonsch verhalten oder eine Fließgrenze
aufweisen.
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Derzeit
werden unterschiedliche Flüssigkeiten, insbesondere auf
vollautomatischen Anlagen, wie sie zum Beispiel für die
Hochdurchsatzforschung eingesetzt werden, mit unterschiedlichen
Dosiersystemen zudosiert oder es ist erforderlich, für
jede Flüssigkeit eine Vielzahl an Parametern einzustellen.
So ist zum Beispiel der Einsatz von Line-Dispensern auf niedrigviskose
Flüssigkeiten beschränkt oder aber es muss mit
Vordruck gearbeitet werden.
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Üblicherweise
arbeiten die aus dem Stand der Technik bekannten Dosiervorrichtungen
volumetrisch. Derartige Dosiervorrichtungen sind zum Beispiel Pumpendosiermodule.
Da es jedoch zum Beispiel bei der Formulierung von Lacken üblich
ist, die Dosiermassen anzugeben, muss für derartige Dosiervorrichtungen
die Dichte sehr genau bekannt sein, um gravimetrisch genau dosieren
zu können.
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Die
gravimetrische Dosierung erfolgt zum Beispiel wie aus
DE-A 101 59 272 bekannt
in mehreren Schritten. Hierbei erfolgt die Steuerung der Dosierung
der dem ersten Schritt nachfolgenden Teilschritte jeweils auf Basis
des im vorherigen Teilschritt berechneten Massendurchflusses.
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Nachteil
des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens ist jedoch, dass
nachlaufende oder nachtropfende Flüssigkeit bei der Dosierung nicht
berücksichtigt wird. Eine hochgenaue Dosierung ist somit
nicht möglich. Das Nachlaufen ergibt sich zum Beispiel
durch erforderlichen hohen Druck, wenn die Viskosität der
Flüssigkeit hoch ist oder wenn kompressible Flüssigkeiten
oder im Medium enthaltenes Gas komprimiert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Dosierung von Flüssigkeiten
mit einer Dosiervorrichtung, wobei eine gewünschte Masse
der Flüssigkeit dosiert werden soll, umfasst folgende Schritte:
- a) Dosieren einer Flüssigkeit in einen
Behälter, wobei die Dosierung der Flüssigkeit
volumetrisch erfolgt,
- b) Bestimmen der Masse der zugegebenen Flüssigkeit,
- c) erneutes Bestimmen der Masse der zugegebenen Flüssigkeit
nach einer vorgegebenen Wartezeit,
- d) Bilden der Differenz von zwei im Abstand der vorgegebenen
Wartezeit bestimmten Massen und Wiederholen von Schritt c), wenn
die Differenz einen vorgegebenen Wert übersteigt,
- e) gegebenenfalls Wiederholen der Schritte a) bis d), bis die
Differenz zwischen der Masse an zudosierter Flüssigkeit
und der vorgegebenen Masse der zu dosierenden Flüssigkeit
einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
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Vorteil
des Verfahrens ist es, dass es für die volumetrische Dosierung
nicht erforderlich ist, die genaue Dichte nach einem Dosierschritt
zu bestimmen. Zudem ist ein genaues Dosieren möglich, da
auch ein Nachtropfen der dosierten Flüssigkeit berücksichtigt
wird. Solange sich die Masse im Behälter zwischen zwei
Messungen ändert, tropft noch Flüssigkeit nach.
Somit ist eine dynamische Dosierung möglich, bei der die
Wartezeiten bis zur Nachdosierung oder bis zur Dosierung einer neuen
Flüssigkeit an die zu dosierende Flüssigkeit angepasst
sind. Bei Flüssigkeiten, bei denen ein längeres
Nachtropfen auftritt, dies ist zum Bei spiel bei Flüssigkeiten
mit einer hohen Viskosität der Fall, ist die Wartezeit
bis zur Durchführung der Nachdosierung länger
als zum Beispiel bei Flüssigkeiten, die nur eine kurze
oder keine Nachtropfzeit aufweisen.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, dass zur Ermittlung der Dosierparameter, zum Beispiel der Wartezeit
nach der Dosierung, insbesondere bei neuen Stoffen und Mischungen
keine Vortests erforderlich sind. Auch ist es möglich,
unterschiedlichste Stoffe mit einer Dosiereinheit mit gleichbleibend
hoher Genauigkeit zu dosieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in
vollautomatischen Dosieranlagen, zum Beispiel in Dosieranlagen für
die Hochdurchsatzforschung, einsetzen, bei der Stoffe dosiert werden
müssen, deren Eigenschaften im Voraus nicht bekannt sind.
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Auch
Fehler durch eine unzureichende Steifheit der Dosieranlage werden
durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeglichen.
Zudem wird jeder Stoff schnellstmöglich dosiert.
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Bevorzugt
werden nacheinander mit der gleichen Dosiervorrichtung mindestens
zwei unterschiedliche Flüssigkeiten zudosiert. Hierdurch
lassen sich zum Beispiel Kosten für eine weitere Dosiereinheit
sparen.
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Um
die gesamte nachtropfende Flüssigkeit zu berücksichtigen,
ist die vorgegebene Wartezeit in Schritt c) zwischen zwei Massebestimmungen
vorzugsweise größer als die Fallzeit eines Tropfens. Hierdurch
wird die Zudosierung oder Nachdosierung eines Stoffes erst dann
beendet, wenn kein Tropfen mehr nachtropft.
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Um
gegebenenfalls Ungenauigkeiten bei der Massebestimmung auszuschließen
und trotzdem zum frühestmöglichen Zeitpunkt nachdosieren
zu können, ist der in Schritt d) vorgegebene Wert für
die Differenz zwischen zwei im Abstand der vorgegebenen Wartezeit
bestimmten Massen vorzugsweise kleiner als die Masse eines Tropfens
der zu dosierenden Flüssigkeit.
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Um
eine Überdosierung zu vermeiden, ist es bevorzugt, dass
die volumetrische Dosierung in Schritt a) anhand der Dichte der
zu dosierenden Flüssigkeit erfolgt. Die Menge der zudosierten
Flüssigkeit ist zunächst kleiner als die vorgegebene
Menge. Die Dichte wird zum Beispiel abgeschätzt und ein
eher etwas höherer Wert in der Steuerung eingegeben. Aus
der Dichte und dem Sollwert für die zuzudosierende Masse
wird das ungefähre Volumen berechnet.
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Bei
unbekannter Dichte der zuzudosierenden Flüssigkeit ist
es möglich, dass zunächst ein Teil des Volumens
zudosiert wird. Nach dem Dosieren wird aus der in Schritt c) bestimmten
Masse und dem zudosierten Volumen die Dichte berechnet. Mit Hilfe der
so berechneten Dichte werden dann die Schritte a) bis d) wiederholt,
bis die gewünschte Masse zudosiert worden ist.
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Erfindungsgemäß wird
das Verfahren in einer Vorrichtung durchgeführt, die eine
volumetrische Dosiereinrichtung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der
Masse und Mittel zur Steuerung umfasst, wobei mit dem Mittel zur
Steuerung die Differenz der Masse zwischen einer ersten Bestimmung
und einer zweiten Bestimmung gebildet wird und mit einem gespeicherten
Wert verglichen werden kann.
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Als
volumetrische Dosiereinrichtung eignen sich zum Beispiel Spritzen
oder Pumpen.
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Die
Wartezeit zwischen der ersten und der zweiten Bestimmung der Masse
wird vorzugsweise durch das Mittel zur Steuerung vorgegeben. Weiterhin
ist es auch bevorzugt, dass mit dem Mittel zur Steuerung aus einer
vorgegebenen Dichte der zu dosierenden Flüssigkeit und
der gewünschten zu dosierenden Masse an Flüssigkeit
ein zuzudosierendes Volumen bestimmt wird. Weiterhin ist es auch
bevorzugt, dass mit dem Mittel zur Steuerung die Dichte aus der
bestimmten Masse und dem tatsächlich zudosierten Volumen
berechnet wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine
Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt.
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In
einem ersten Schritt S1 wird zunächst volumetrisch Flüssigkeit
in einen Behälter dosiert. Wenn die Dichte der Flüssigkeit
nicht bekannt ist, ist es nicht möglich, mittels volumetrischer
Dosierung, die zum Beispiel mit Hilfe von Spritzen oder Pumpen durchgeführt
wird, gravimetrisch zu dosieren. Hierzu ist die Überwachung
mit einer Waage erforderlich. Für die Dosierung wird die
Dichte abgeschätzt und in ein Mittel zur Steuerung eingegeben.
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Vorzugsweise
ist der eingegebene Wert größer als die abgeschätzte
Dichte. Hierdurch kann vermieden werden, dass eine zu große
Masse zudosiert wird. Aus der eingegebenen Dichte und dem Sollwert für
die zuzudosierende Masse wird das ungefähre Volumen berechnet,
welches zugeführt werden muss.
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Bei
nicht bekannter Dichte wird die Flüssigkeit vorzugsweise
in mehreren Stufen dosiert. In diesem Fall wird in Schritt S1 zunächst
nur ein Teil der zuzudosierenden Menge zudosiert. So werden zum Beispiel
zunächst 80% des Volumens dosiert. Selbstverständlich
ist auch jeder andere Anteil, der kleiner als 100% des Volumens
ist, möglich. Dieser Anteil liegt bevorzugt im Bereich
von 60 bis 95%. Anschließend wird in einem Schritt S2 die
Masse der in Schritt S1 zugeführten Flüssigkeit
bestimmt.
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Im
Allgemeinen baut sich während des Dosierschrittes S1 ein
Druck auf. Dieser Druck ist umso größer je höher
die Viskosität der zu dosierenden Flüssigkeit
ist. Kompressible Flüssigkeiten oder im Medium enthaltenes
Gas werden komprimiert. Sobald die volumetrische Dosierung beendet
ist, zum Beispiel durch Stoppen den Kolbenvorschubes einer Spritze,
tropft oder läuft Flüssigkeit nach, bis der Druckausgleich
beendet ist. Dies kann in Abhängigkeit von den Fließeigenschaften
der Flüssigkeit unterschiedlich lange dauern. Um eine Überdosierung zu
vermeiden, ist es notwendig, die Zeit, in der Flüssigkeit
nachläuft beziehungsweise nachtropft, abzuwarten, bevor
ein nächster Dosierschritt durchgeführt wird.
Wenn hierbei eine hohe Wartezeit gewählt wird, werden jedoch
auch einfach zu dosierende Stoffe, d. h. Stoffe, die nicht oder
nur sehr kurze Zeit nachlaufen oder nachtropfen, sehr langsam dosiert.
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Um
dies zu vermeiden, wird sofort nach der volumetrischen Dosierung
in Schritt S1 die Masse der zudosierten Flüssigkeit in
Schritt S2 bestimmt. Nach der Massebestimmung in Schritt S2 wird
in Schritt S3 eine vorbestimmte Wartezeit abgewartet. Die Wartezeit
ist vorzugsweise größer als die Fallzeit eines
Tropfens. Die Wartezeit wird vorzugsweise ebenfalls in den Mitteln
zur Steuerung des Dosierverfahrens eingegeben. Hierdurch wird eine
automatische Dosierung ermöglicht.
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Nach
der Wartezeit in Schritt S3 wird in einem Schritt S4 erneut die
Masse der zudosierten Flüssigkeit bestimmt. Wenn noch Flüssigkeit
nachgelaufen oder nachgetropft ist, unterscheidet sich die in Schritt
S4 bestimmte Masse von der in Schritt S2 bestimmten Masse der Flüssigkeit.
Ein Vergleich dieser beiden Werte wird in Schritt S5 durchgeführt.
Der Vergleich kann ebenfalls in den Mitteln zur Steuerung des Dosierverfahrens
durchgeführt werden.
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Zum
Vergleich der in den Schritten S2 und S4 bestimmten Massen wird
die Differenz aus diesen gebildet und mit einem vorgegebenen Wert
verglichen. Dieser vorgegebene Wert ist vorzugsweise kleiner als
die Masse eines Tropfens. Auf diese Weise wird bereits erkannt,
wenn die Masse zwischen den Messungen in Schritt S2 und S4 um die
Masse eines Tropfens zugenommen hat. Auf diese Weise lässt
sich ein Nachtropfen erkennen. Um jedoch Wägeungenauigkeiten
auszuschließen, ist der Wert, mit dem die Differenz aus
den beiden Massebestimmungen verglichen wird, vorzugsweise größer
als 0.
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Wenn
die Differenz aus den Massebestimmungen in Schritt S2 und S4 größer
ist als der vorbestimmte Wert, wird erneut die Wartezeit in Schritt
S3 abgewartet. Daran anschließend erfolgt eine neue Bestimmung
der Masse in Schritt S4.
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Um
festzustellen, ob noch weiterhin Flüssigkeit nachgelaufen
oder nachgetropft ist, wird die jetzt in Schritt S4 bestimmte Masse
mit der im vorhergehenden Durchlauf in Schritt S4 bestimmten Masse verglichen.
Dies wird so lange wiederholt, bis die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgend
gemessenen Werten für die zudosierte Flüssigkeitsmasse
kleiner ist als der vorgegebene Wert.
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Nachdem
sich zwischen zwei aufeinanderfolgend durchgeführten Messungen
die Masse der Flüssigkeit nicht mehr geändert
hat, wird dieser zuletzt bestimmte Wert für die Flüssigkeitsmasse
mit dem Sollwert für die Masse der zuzugebenden Flüssigkeit
verglichen. Dieser Vergleich erfolgt in Schritt S6. Wenn sich bei
dem Vergleich in Schritt S6 zeigt, dass die Masse der zugegebenen
Flüssigkeit vom Sollwert der zuzugebenden Masse um mehr
als einen vorgegebenen Wert abweicht, ist es notwendig, Flüssigkeit
nachzudosieren. Hierzu werden die Schritte S1 bis S6 wie vorstehend
beschrieben erneut durchgeführt. Sobald in Schritt S6 die
Differenz zwischen der tatsächlich zudosierten Flüssigkeitsmasse
und dem Sollwert für die Masse der zuzudosierenden Flüssigkeit
kleiner als die vorgegebene Abweichung ist, wird der Dosiervorgang
beendet.
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Die
vorgegebene Abweichung zwischen der tatsächlich zudosierten
Masse an Flüssigkeit und dem Sollwert der zuzugebenden
Masse an Flüssigkeit ist die Toleranz, innerhalb derer
die Dosierung erfolgt. Dieser Wert wird vorzugsweise ebenfalls in
den Mitteln zur Steuerung des Dosiervorganges vorgegeben.
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Um
mit dem zweiten Dosierschritt den vorgegebenen Sollwert für
die zuzudosierende Masse möglichst genau zu erreichen,
ist es möglich, dass aus dem zudosierten Volumen und der
gemessenen Masse der Flüssigkeit die Dichte berechnet wird.
Mit diesem Dichtewert lässt sich das genaue Volumen der
noch fehlenden Masse bestimmen. Um jedoch ein Überdosieren
zu verhindern, kann etwas weniger Flüssigkeit zugegeben
werden, damit aufgrund der verzögerten Flüssigkeitsabgabe
durch das Nachlaufen beziehungsweise Nachtropfen keine zu große Flüssigkeitsmenge
dosiert wird. Wenn ohne Wartezeit dosiert wird, ist der Druck am
Ende des Dosierschrittes noch nicht abgebaut und im nächsten
Dosierschritt läuft mehr als berechnet nach. Dies kann zu
einer Überdosierung führen.
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Durch
das wiederholte Messen jeweils nach dem Abwarten einer Wartezeit,
um festzustellen, ob Flüssigkeit nachgelaufen oder nachgetropft
ist, lässt sich die Wartezeit kürzer einstellen
als die längste Wartezeit, die benötigt wird,
für die Substanz, die am längsten nachtropft oder
nachläuft. Auf diese Weise ist eine dynamische Dosierung
möglich. Nach dem Dosieren jeder Flüssigkeit braucht
nur so lange gewartet werden, bis diese Flüssigkeit nicht
mehr nachläuft oder nachtropft. Bei Flüssigkeiten,
deren Nachtropfen oder Nachlaufen schnell beendet ist, ist die Wartezeit
kurz, während bei Flüssigkeiten, die noch lange
nachlaufen oder nachtropfen, eine entsprechend höhere Wartezeit
mit jeweils zwischenliegenden Messungen abgewartet wird, bis der
nächste Dosierschritt durchgeführt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere
zur automatisierten Dosierung von Flüssigkeiten. So kann
das erfindungsgemäße Verfahren zum Beispiel auf
einer vollautomatischen Anlage, zum Beispiel für die Hochdurchsatzforschung, verwendet
werden. Hierbei können die unterschiedlichsten Flüssigkeiten
mit einer gleichbleibend hohen Genauigkeit dosiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt sich mit
jeder, dem Fachmann bekannten Dosiervorrichtung durchführen,
wenn diese Mittel zur Steuerung umfasst. Geeignete Mittel zur Steuerung
sind zum Beispiel Steuerungsgeräte oder Rechner. Zur automatisierten
Durchführung des Verfahrens ist es lediglich erforderlich,
dass Daten von der volumetrischen Dosiervorrichtung und von der
Waage zur Steuerungsvorrichtung übertragen werden können.
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Selbstverständlich
ist es alternativ auch möglich, das erfindungsgemäße
Verfahren nicht automatisiert durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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